close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Алгоритм определения параметров математической модели механика-водителя управляющего криволинейным движением быстроходной гусеничной машины..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 681.51.013+629.114.2:51
АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕХАНИКА-ВОДИТЕЛЯ,
УПРАВЛЯЮЩЕГО КРИВОЛИНЕЙНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ
О.О. Павловская, С.В. Кондаков
DEFINITION ALGORITHM OF MECHANIC-DRIVER
MATHEMATIC MODEL PARAMETRS FOR HIGH-SPEED
CATERPILLAR MACHINE CURVOLINEAR MOVEMENT
O.O. Pavlovskay, S.V. Kondakov
Реализован алгоритм определения параметров математической модели механикаводителя, управляющего криволинейным движением быстроходной гусеничной машины. Приведены результаты имитационного моделирования криволинейного движения
машины, управляемой механиком-водителем с назначенными параметрами.
Ключевые слова: математическая модель, структурная схема, механик-водитель,
быстроходная гусеничная машина, управление криволинейным движением, качество процесса управления.
Realized definition algorithm of mechanic-driver mathematic model for curvilinear
movement of high-speed caterpillar machine. Considers the results of researching of machine
mobility, driving by man with fixed parametrs.
Keywords: mathematic model, high-speed caterpillar machine, hydrostatic drive, turning mechanism, transmitting function, man-operator, mechanic-driver, curvilinear movement driving.
Введение1
Не вызывает сомнения тот факт, что поведение сложной человеко-машинной системы (ЧМС),
которой является транспортная машина, зависит
как от технических показателей машины (от конструкции машины, ее агрегатов, систем, в том
числе автоматических, интеллектуальных), так и
от квалификации человека. В отношении к быстроходным гусеничным машинам (БГМ), к которым относят в первую очередь военные машины
(танки и боевые машины пехоты), надо согласиться с тем, что каковы бы ни были совершенны технические средства, управляемость машины в целом в большой степени зависит от опыта, квалификации и даже таланта механика-водителя. Поэтому в рамках решения задачи моделирования
криволинейного движения БГМ представляет интерес моделирование действий механика-водителя.
Библиография исследований в области моделирования человека, управляющего различными
объектами, включает более тысячи наименований.
Действительно, вопросами моделирования человека в составе ЧМС занимались ученые как в СССР
(потом в России), так и за рубежом [1–3]. В этих
работах главные задачи, решаемые человеком в
следящей системе, – вовремя обнаружить цель,2
вести ее, вовремя дать команду на уничтожение.
Задачи, которые решает водитель транспортного,
средства, существенно отличаются от них. Это
слежение за дорогой, предвидение дорожных условий и осуществление изменения положения
штурвала управления поворотом заблаговременно в соответствии со своим опытом и техническими особенностями транспортной машины.
При этом следует отдельно подчеркнуть, что гусеничная машина ведет себя в повороте не как
колесная, хотя внедрение бесступенчатых механизмов поворота в трансмиссии современных
БГМ позволяет им поворачивать «по-автомобильному» [4].
Павловская Ольга Олеговна – канд. техн. наук, доцент кафедры «Системы управления», Южно-Уральский
государственный университет; olyapav@rambler.ru
Кондаков Сергей Владимирович – д-р техн. наук, профессор кафедры «Колесные и гусеничные машины», ЮжноУральский государственный университет; tanksv@mail.ru
Olga O. Pavlovskay – Candidate of engineering science,
Associate professor of the Control Systems Department of
the South Urals State University; olyapav@rambler.ru
Sergey V. Kondakov – Doctor of engineering science, Professor of the Wheel and Caterpillar Machine Department of
the South Urals State University; tanksv@mail.ru
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 15
43
О.О. Павловская, С.В. Кондаков
В связи со всем вышеизложенным в данной
статье приведен материал, отражающий особенности математической модели механика-водителя,
управляющего криволинейным движением БГМ.
Для этого еще раз, в дополнение к статье [5], проведен анализ известных моделей человека, управляющего именно транспортным средством, а затем
произведены изменения модели, позволяющие
более корректно имитировать действия опытного
механика-водителя.
1. Анализ известных моделей
В качестве математической модели механикаводителя, управляющего БГМ, в первом приближении может быть использована модель водителя
автомобиля Уиера и Мак-Рюера [6]. Структурная
схема системы управления автомобилем, предложенная этими авторами, представлена на рис. 1.
Рассматривая реакцию на боковой ветер при
скорости около 100 км/ч и используя довольно
сложную систему уравнений, связывающих направляющий угол ϕ и поперечное положение y с
углом поворота рулевого колеса σ , общепринятую в работах по динамике автомобиля, Уиер и
Мак-Рюер получили следующие оценки:
Yнφ = 0,56 exp{–0,4jw}
при переходной частоте 2,3 рад/c в контуре управления направлением движения, и Yнy = 0,57 при
переходной частоте 0,9 рад/c в контуре управления
положением.
Однако авторами получена модель и оценочные значения параметров модели осторожного и
опытного водителя применительно к задаче управления конкретным видом транспортного средства,
и неясно, как изменится модель и/или числовые
значения параметров модели при изменении объекта управления. Также здесь не учитывается стохастичность действий водителя.
Анализ возможности использования универсальных линейных моделей для моделирования
поведения механика-водителя БГМ, осуществляющего сопровождающее слежение и управление
криволинейным движением машины с предвидением, показал, что математическая модель последнего может быть представлена структурной схемой (рис. 2) [5].
Однако авторами при имитационном моделировании не учитывалась стохастичность управляющих движений механика-водителя, а также
остались без ответа два вопроса. Во-первых, как
объяснить наблюдаемую при имитационном моделировании системы управления БГМ в VisSim
особенность реакции системы в начальный момент
времени (рис. 3), не согласующуюся с ситуацией
слежения с предвидением. Во-вторых, непонятно,
каким образом следует назначать числовые значения параметров модели и насколько эти параметры
будут соответствовать физическим возможностям
человека.
2. Измененная математическая модель
механика-водителя
Для получения адекватной реакции системы
при сопровождающем слежении с предвидением
из модели человека-оператора следует исключить
звено чистого запаздывания (рис. 4), так как механик-водитель, предвидя изменение входного сигнала и зная, что не сможет на это изменение отреагировать мгновенно, начинает изменение траектории движения БГМ заранее. Иначе говоря, механик-водитель осуществляет управление с упреж-
Рис. 1. Система управления автомобилем
Рис. 2. Математическая модель механика-водителя
44
Вестник ЮУрГУ, № 3, 2012
Алгоритм определения параметров математической модели механика-водителя,
управляющего криволинейным движением быстроходной гусеничной машины
дением, компенсируя тем самым нейромускульное
запаздывание своей реакции.
Подтверждением корректности данного изменения математической модели механика-водителя,
осуществляющего сопровождающее слежение с
предвидением, являются результаты моделирования системы управления БГМ в VisSim (рис. 5).
3. Алгоритм определения числовых значений
параметров математической модели
механика-водителя
Следует учитывать, что механик-водитель в
среднем действует, как действовал бы хорошо
сконструированный серворегулятор. Действительно, достаточно натренированный механик-води-
Рис. 3. Реакция системы управления БГМ на единичный ступенчатый сигнал
при наличии звена чистого запаздывания в модели механика-водителя
Рис. 4. Измененная модель механика-водителя БГМ
Рис. 5. Реакция системы управления БГМ на единичный ступенчатый сигнал
с исключением звена чистого запаздывания из модели механика-водителя
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 15
45
О.О. Павловская, С.В. Кондаков
тель, зная свои собственные динамические характеристики, динамические характеристики управляемого процесса, характеристики своей собственной вариабельности и внешних возмущений, а
также критерий, описывающий наилучшее управление, будет действовать оптимально, выдавая
наилучшие управляющие воздействия. При этом
некоторые параметры его модели можно считать
априорно известными (например, нервно-мышечное запаздывание реакции человека уже оценено
экспериментально [3, с. 175], поэтому в зависимости от степени натренированности водителя Т3
следует выбирать из диапазона 0,1…0,2 с, пусть
Т3 = 0,2 с; постоянная времени Т1 должна быть настолько мала, чтобы не влиять на динамику всей
системы, поэтому пусть K1=1, Т1=0,002 с). Остальные параметры модели человека-оператора настраиваются последним под условия задачи
управления, так как механик-водитель, в отличие
от машинного блока, обладает свойством адаптивности и после тренировки приобретает те навыки,
которые позволяют управлять ему объектом с заданным качеством.
Определение параметров K2 и Т2, характеризующих адаптивные свойства механика-водителя,
можно проводить по различным критериям, сходным с критерием среднеквадратической минимизации в теории сервосистем. Например, можно
определять параметры K2 и Т2 исходя из условия
обеспечения требуемых запасов устойчивости системы по фазе [3] , однако нет единого мнения о
величинах этого запаса устойчивости. Поэтому
далее предложено определять неизвестные параметры модели по критерию минимума улучшенной интегральной квадратичной оценки (УИКО)
системы вида
∞
I =  (ε 2 + (T ε ) 2 )dt ,
0
где Т – некоторая постоянная времени, величина
которой определяется из условия желаемого качества переходного процесса системы. В нашем случае следует взять Т = 0,12 с.
Описанный выше алгоритм назначения параметров K2 и Т2 математической модели механикаводителя реализован на С++. В результате расчета
получено, что при K2 = 6,5 и Т2 = 0,06 с наблюдается Imin = 0,0101.
Реакция системы управления БГМ на единичный ступенчатый сигнал, полученная при K1 = 1,
K2 = 6,5; Т1 = 0,002 с; Т2 = 0,06 с; Т3 = 0,2 с, представлена на рис. 6. По монотонной переходной
характеристике системы определено время переходного процесса: tпп = 0,8 с, что соответствует
требованиям к качеству процесса управления
БГМ.
Таким образом, определена математическая
модель «среднестатистического» механика-водителя, которая позволяет количественно сформулировать требования к скорости его адаптации к ситуации на дороге. Также при имитационном моделировании следует учесть стохастичность управляющих движений механика-водителя в связи непостоянством его психофизиологического состояния введением в модель случайной составляющей
реакции n(t) (стационарного белого шума cо следующими параметрами: математическое ожидание 0,2 с; среднеквадратическое отклонение 0,08 с).
Результаты моделирования в VisSim системы
управления БГМ с учётом стохастичности управляющих движений механика-водителя представлены на рис. 7.
Рис. 6. Реакция системы управления БГМ на единичный ступенчатый сигнал
при найденных программным путем параметрах модели механика-водителя
46
Вестник ЮУрГУ, № 3, 2012
Алгоритм определения параметров математической модели механика-водителя,
управляющего криволинейным движением быстроходной гусеничной машины
Рис. 7. Реакция системы управления БГМ на единичный ступенчатый сигнал
с учетом стохастичности управляющих движений механика-водителя
В дальнейшем следует исследовать влияние
изменения параметров модели для случая управления БГМ механиками-водителями с разными
уровнями натренированности на качество процесса управления.
Выводы
1. Обоснована необходимость исключения из
математической модели механика-водителя, осуществляющего сопровождающее слежение с предвидением траектории движения БГМ, звена чистого запаздывания.
2. Исходя из утверждения, что механикводитель – аналог автоматического управляющего
устройства, который обеспечивает требуемое качество процесса управления, следует одни параметры его модели считать априорно известными
(Т3 = 0,2 с; K1 = 1; Т1 = 0,002 с), а другие параметры
(K2 и T2), характеризующие адаптацию навыков
механика-водителя после тренировки под условия
задачи, следует определять из условия минимума
улучшенной интегральной оценки качества системы с параметром Т = 0,12 с.
3. Для автоматизации процедуры нахождения
параметров математической модели механикаводителя (K2 и T2) на языке С++ создан программный продукт.
4. Математическое моделирование системы
управления БГМ с найденными параметрами
(K2 = 6,5 и T2 = 0,06 c) показало, что при монотонном переходном процессе время переходного процесса составляет 0,8 с, что соответствует требованиям к качеству процесса управления БГМ.
5. Проведено моделирование в VisSim системы управления БГМ с найденными параметрами
математической модели и с учётом стохастичности управляющих движений «среднестатистиче-
ского» механика-водителя путем введения в модель белого шума (математическое ожидание 0,2 с;
среднеквадратическое отклонение 0,08 с). В дальнейшем следует учесть влияние изменения параметров модели для случая управления БГМ механиками-водителями с разными уровнями натренированности на качество процесса управления.
Литература
1. Дружинин, Г.В. Учет свойств человека в
моделях технологий / Г.В. Дружинин. – М.: МАИК
«Наука / Интерпериодика», 2000. – 327 с.
2. Цибулевский, И.Е. Человек как звено следящей системы / И.Е. Цибулевкий. – М.: Наука, 1981. –
288 с.
3. Шеридан, Т.Б. Системы человек-машина:
модели обработки информации, управления и принятия решений человеком-оператором / Т.Б. Шеридан, У.Р. Феррел; под ред. К.В. Фролова; пер. с
англ. А.А. Кобринского. – М.: Машиностроение,
1980. – 400 с.
4. Кондаков, С.В. Повышение подвижности
быстроходной гусеничной машины путем автоматизации системы управления криволинейным
движением: моногр. / С.В. Кондаков. – Челябинск:
Изд-во ЮУрГУ, 2009. – 108 с.
5. Имитационное моделирование движения быстроходной гусеничной машины механиком-водителем / С.В. Кондаков, Н.Н. Корнаева, О.О. Павловская, С.И. Черепанов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». – 2010. – Вып. 16. –
№ 29(205). – С. 59–64.
6. Weir, D.H. Models for Steering Control of Motor Vehicles / D.H. Weir, D.T. McRuer // Proc. 4th
Annual NASA, 1968. – 192 c.
Поступила в редакцию 30 июля 2011 г.
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 15
47
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа